基于射流沖擊霧化原理的噴頭設計及性能試驗分析

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(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015)

彈藥艙作為艦船戰略物資貯存的重要部位，是易燃易爆的高危場所。當艙內溫度異常將要發生火災或已經發生火災時，能否快速高效降溫、滅火將直接影響艦船的生命力和戰斗力。細水霧滅火技術具有高效的汽化降溫效果，而且細水霧能將火源包圍，具有隔氧窒息、阻止熱輻射、防止熱擴散的作用，因此其滅火降溫效果優于傳統滅火技術，并具有高效、環保、無污染等特點[1-2]。

噴頭安裝在噴淋系統各分支管路上，是實現細水霧技術的關鍵核心部件，其性能參數直接決定了細水霧的霧化質量及噴淋效果，并可最大限度發揮系統的整體功效。常用的霧化噴頭的噴嘴型式有機械式、氣動式、旋轉式及組合式等，采用的霧化方法主要有高壓強力式霧化、雙流體混合式霧化、旋流式復合霧化、離心式霧化等[3-4]。以上各型霧化噴頭依靠噴頭結構設計或借助系統高壓等都可取得不錯的霧化效果，但也存在著結構復雜、價格昂貴、對水質要求高等缺點。

文中選取噴頭作為研究對象，以流體力學和動力學理論為指導，結合液體霧化機理對快速噴頭進行結構設計，并搭建試驗系統對其性能特性進行驗證，對比分析結構參數及外界因素對霧化效果的影響，為噴頭設計選型及細水霧滅火系統的研究提供參考。

1 噴頭結構設計及霧化原理

在傳統機械式噴頭的基礎上，設計一種基于射流沖擊霧化原理的噴頭，其外形結構見圖1。該噴頭主要由噴頭體、噴頭座、密封墊片三部分組成，噴頭體與噴頭座焊接后，加裝密封墊片安裝在噴淋管系上。噴頭體為階梯狀圓柱形中空結構，沿圓周方向在相鄰兩段階梯圓柱的外圓、端面上分別均勻開有多個小直徑的射流孔，射流孔軸線與其基面垂直。噴淋系統啟動后，管內水流在系統壓力下從各射流孔快速噴出，高速射流沿外圓、端面法向兩兩交叉沖擊對撞后離散分離破損形成霧化液滴，因此將其定義為周向射流沖擊結構。該噴頭共設計了上、中、下3組射流沖擊結構，下組端面與外圓切面垂直使該組射流孔呈直角對射，同時為了使霧粒在空間內均勻分布實現好的霧化效果，將另外兩組端面加工為斜面，使其射流孔呈銳角對射。該霧化噴頭具有結構簡單、安裝方便、成本低、對水質要求低等優點。

圖1 射流沖擊霧化噴頭

2 噴頭性能試驗

2.1 噴頭性能測試原理

為驗證噴頭的霧化性能及結構參數對霧化效果的影響，選取3個噴頭作為試驗對象，分別將其命名為1#、2#、3#噴頭。3個噴頭的射流孔數量相同，2#與3#的射流孔徑相同且都為1#孔徑的1.5倍，1#與2#噴頭的入口孔徑相同且都為3#噴頭的70%。

霧滴粒徑、霧滴速度、噴霧角、噴淋強度、平面作用半徑等是衡量噴頭霧化性能的重要參數[5-6]，其試驗系統測試原理見圖2a)。研究表明，噴頭位于火源的正上方時細水霧的滅火效果最好[7-8]，因此將噴頭噴口朝下垂直安裝在試驗管路上，直接連接自來水系統作為試驗用水，通過手動閥或電磁閥來控制噴水的啟閉，并用溢流閥來調節供水壓力，流量計和壓力表可實時顯示噴頭入口流量和壓力。激光發射器和接收器作為激光粒度測試儀的兩個主要部件，分別置于噴頭下方1 m處噴水霧場的兩側，直接采集或通過計算機軟件處理來形成試驗數據。噴頭流量、射程等參數測量試驗回路見圖2b)。噴頭為水平安裝，距地面的垂直距離為1 m。

圖2 噴頭性能測試系統原理

2.2 噴頭性能測試方法

試驗壓力為噴頭入口壓力，根據艦船實際情況選取壓力區間為0.1～1.0 MPa，并間隔0.1 MPa進行測量。

2.2.1 霧化性能測量

1)將噴頭安裝在試驗管系上，打開激光粒度儀并調好光譜曲線，啟動系統并按試驗壓力間隔逐級調節噴頭入口壓力，記錄霧粒大小及其分布，用高速攝像機測量霧滴速度，并用照相機取樣拍攝噴霧情況，多次測量求取平均值。

2)更換噴頭，重復上述操作進行測量。

2.2.2 流量和射程測量

1)將噴頭安裝在試驗管系上，噴頭距離地面高度1 m，啟動系統并按試驗壓力間隔逐級調節噴頭入口壓力，待穩定后記錄流量值，用卷尺測量噴頭射程，記錄數據，多次測量求取平均值。

2)更換噴頭，重復上述操作進行測量。

3 試驗結果及數據分析

3.1 壓力-流量特性分析

根據試驗數據作出噴頭的壓力-流量特性曲線，見圖3。3個噴頭的開啟壓力都為0.15 MPa左右(壓力低于該值時流量小且不穩定)，流量隨著壓力升高而增大，出口孔徑越大則流量增加越明顯；相同壓力下，噴頭出口孔徑越大則流量越大；壓力和出口孔徑相同情況下，入口孔徑越大則流量越大，但對流量的影響較小。

圖3 壓力-流量特性曲線

3.2 霧滴粒徑及其分布規律分析

液體在高壓下被噴射入空氣中，由于內外部力的相互作用，連續的液柱分裂破碎，成為形狀各異的離散團塊。研究水從噴頭噴出后形成的霧滴粒徑大小及其分布規律，對探索霧滴破碎原理有著重要作用，同時也是衡量霧化質量的重要指標。

霧滴粒徑及其分布可由激光粒度測試儀測量并進行分析計算，分別用SMD、D(V，0.9)、D(V，0.99)3個指標表示：SMD為霧滴平均粒徑，D(V，0.9)、D(V，0.99)則分別表示重量占比為90%、99%的霧滴粒徑最大值。各噴頭的SMD、D(V，0.9)、D(V，0.99)3個指標與壓力的關系曲線見圖4，圖5為3#噴頭霧滴粒徑隨壓力的變化曲線。

圖4 霧滴粒徑隨壓力的變化曲線

圖5 3#噴頭霧滴粒徑隨壓力的變化曲線

由圖4、5可見，無論從平均值還是從絕對占比方面衡量，霧滴粒徑都隨供水壓力增大而減小。在試驗壓力較低(0.15～0.4 MPa)時，粒徑分布范圍較寬，隨著壓力升高，霧滴粒徑降低速度較快且分布范圍趨窄；當試驗壓力較高(0.4 MPa以上)時，霧滴粒徑更小且其分布范圍更窄，但壓力對其影響并不明顯。由于低壓階段的液滴直徑較大且流速較小，隨著壓力升高，射流相對于空氣的速度增大，射流高速沖擊使液滴容易分裂形成更加細小的霧滴。在壓力較高時，霧滴體積已較小，重量輕且空氣阻力小，再增加壓力對霧滴直徑減小的影響較小。

當入口壓力小于0.4 MPa時，噴頭射流孔徑越小則霧化效果越好，各噴頭的霧滴平均粒徑均小于100 μm，且重量占比為99%的粒徑均小于200 μm。根據美國消防委員會標準NFPA 750中對細水霧的定義和分級[9]，3個噴頭都已達到一級細水霧的霧化標準，而1#噴頭在入口壓力為0.3 MPa時即可滿足該標準。當入口壓力大于0.6 MPa時，噴頭射流孔徑對霧化性能的提升幾乎沒有影響。

3.3 霧滴速度及噴頭射程特性分析

噴頭霧化是能量對液體作用的結果，壓力能通過克服摩擦阻力、液體表面張力、黏性力后轉換成液滴動能。將噴頭安裝在距地面1 m的位置，觀察霧團消失的位置，在噴射方向的側面，用帶有長度計量標記的標志物(如卷尺)來指示水平距離，對噴射距離目測有困難，也可用輔助手段，如用干粉的收集和用于液化氣體的凝霧盤等。見圖6。

圖6 射程測試原理示意

圖7為射程隨壓力的變化曲線。由圖7可見，噴頭射程隨壓力升高而增大，在相同壓力下，噴頭射流孔徑越大則射程越遠，與噴頭的入口孔徑關系不太明顯。圖8為霧滴速度隨壓力的變化關系。由圖8可見，霧滴速度隨壓力升高而增大，相同壓力下噴頭出口孔徑越小則速度越大，與噴頭入口孔徑沒有明顯關系。

圖7 射程隨壓力的變化曲線

圖8 霧滴速度隨壓力的變化關系

3.4 噴霧角及平面作用半徑特性分析

噴頭的噴霧呈圓錐狀，噴霧角α是指以噴頭的出口為頂點，至噴霧外包絡線的兩條切線之間的夾角(見圖9)，其平面作用半徑R為距噴頭1 m處的圓形截面半徑，噴霧照相后用計算機軟件進行量取。

圖9 噴霧角測量示意

圖10為噴霧角隨壓力的變化曲線，圖11為平面作用半徑隨壓力的變化關系。由圖10、11可見，噴霧角、平面作用半徑隨壓力的升高呈波浪狀無規律變動，但數值幾乎保持不變。相同壓力下，噴頭的射流孔徑越小，噴霧角及平面作用半徑越大；壓力和射流孔徑相同情況下，平面作用半徑隨入口孔徑擴大而降低。因此，噴霧角及平面作用半徑與壓力無關，只與噴頭的射流孔徑和入口壓力有關。

圖10 噴霧角隨壓力的變化曲線

圖11 平面作用半徑隨壓力的變化關系

4 試驗結果分析

通過對3個不同參數噴頭的霧化性能、流量、射程等參數進行試驗分析，可以看出基于射流沖擊霧化原理噴頭有以下的特點。

1)霧滴速度、噴頭射程和流量都隨著入口壓力升高而增大，霧滴粒徑隨壓力升高而降低，粒徑分布范圍隨壓力升高而趨窄，噴霧角和平面作用半徑與壓力沒有明顯關系。

2)霧滴粒徑、噴頭射程和流量都隨噴頭射流孔徑減小而降低，霧滴速度、噴霧角和平面作用半徑隨噴頭射流孔徑減小而增大。

3)入口孔徑對噴頭性能影響較小。

4)可以在較低壓力下，取得較好的霧化效果。

噴頭射流孔徑小且入口壓力較高時，霧化性能比較理想。在選用小射流孔徑噴頭后，應盡量減少系統沿程壓力損失和局部壓力損失，用提高噴頭入口壓力來提升其霧化效果[10-12]。

5 結論

試驗分析結果表明，設計的基于射流沖擊霧化原理的噴頭具有良好的霧化性能，其性能由入口壓力和射流孔徑決定，與入口孔徑無關，在試驗壓力達到0.3 MPa時可達到一級細水霧的標準，可直接從艦船消防總管取水，無需額外增壓。鑒于參試噴頭數量及所選參數的局限性，試驗分析及結果可為細水霧滅火系統的噴頭設計及選型提供參考，實際應用中還需考慮材料腐蝕及孔徑堵塞等因素，噴頭的射流孔徑不能太小。因此，噴頭的最小射流孔徑試驗驗證及霧化性能優化、系統管路布局及滅火效能分析等將是今后研究的重點。